JP2004294332A - 半導体力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】自由度の高い構造を有し、直交する２軸方向への力学量の印加についても、これをより高い精度にて検出することができる半導体力学量センサを提供する。
【解決手段】力学量の印加を検出するための重り部であるマスを３０１〜３０３の３つのマスに直列に分割し、これら各マス３０１〜３０３を連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって連結する。このうち、端部に位置するマス３０１および３０３は、それらマスの連結方向と直交する方向への変位が許容されるかたちで半導体基板１にそれぞれ梁Ｂ１〜Ｂ４を介して支持される。一方、これらマス３０１および３０３に各々連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４を介して連結された中央のマス３０２は、該連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって、それらマスの連結方向への変位のみが許容される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、梁により支持される構造の可動部を有して例えば加速度や角速度等の力学量を検出する半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体力学量センサとしては、例えば特許文献１に記載されたセンサがある。図５に、この特許文献１に記載されている半導体力学量（加速度）センサの概略構造を模式的に示す。なお、図５において、図５（ａ）はこのセンサエレメントの平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【０００３】
同図５（ａ）および（ｂ）に示されるように、このセンサは、大きくは、半導体基板（シリコン基板）１と、絶縁層２、そしてこの絶縁層２上に形成された半導体層（シリコン層）３を有して構成されている。
【０００４】
そして、半導体層３は、周知のフォトリソグラフィ技術等によって、基本的には図５（ａ）に示される態様でパターン形成されるとともに、絶縁層２は、同図５（ａ）に破線にて示される領域Ｚ２が選択的にエッチング除去されて、溝部を形成している。すなわち、上記半導体層３は、この溝部に対応する領域Ｚ２内では上記基板１から浮いた状態となり、それ以外の領域では絶縁層２を介して同基板１に支持されるかたちとなる。
【０００５】
具体的には、上記領域Ｚ２内で、上記半導体層３によるマス（重り部）３２０、該マス３２０に一体形成された櫛歯状の可動電極ＭＥ１１およびＭＥ１２、これら各可動電極に対向するように片持ち支持された固定電極ＦＥ１１およびＦＥ１２、そして上記マス３２０を支持する梁Ｂ１１〜Ｂ１４が形成されている。また、上記領域Ｚ２外では、同じく半導体層３によるアンカー部３２１および３２２、３３１および３３２がそれぞれ形成されている。
【０００６】
そして、上記梁Ｂ１１〜Ｂ１４の各々他端は、上記アンカー部３２１および３２２によって支持されており、上記固定電極ＦＥ１１およびＦＥ１２は、上記アンカー部３３１および３３２によってそれぞれ支持されている。また、上記アンカー部３２１には、上記可動電極ＭＥ１１およびＭＥ１２の電位を取り出すための例えばアルミニウム等の金属からなる電極パッド４１０が形成されている。他方、上記アンカー部３３１および３３２には、それぞれ上記固定電極ＦＥ１１およびＦＥ１２に給電を行うための同じくアルミニウム等の金属からなる電極パッド４１１および４１２が形成されている。
【０００７】
ここで、上記マス３２０は、図５（ａ）に示されるように、梁Ｂ１１〜Ｂ１４により、図中Ｙ軸方向への変位は許容されるが、図中Ｘ軸方向への変位は規制される構造となっている。
【０００８】
これにより、マス３２０にＹ軸方向への加速度が印加されたときには、該マス３２０のＹ軸方向への変位に伴って、これに一体形成されている可動電極ＭＥ１１およびＭＥ１２も同様にＹ軸方向に変位することになる。そして、この場合、一方では可動電極ＭＥ１１と固定電極ＦＥ１１の間の距離が増加または減少し、他方では可動電極ＭＥ１２と固定電極ＦＥ１２の間の距離が減少または増加する。すなわちこのセンサでは、このような電極間の距離の変化を、それぞれ静電容量ＣＳ１およびＣＳ２の変化として検出し、これら静電容量ＣＳ１およびＣＳ２の変化を、図６に例示するスイッチドキャパシタ回路を通じて電圧値として取り出すようにしている。そして、この取り出した電圧値に基づいて、上記印加された加速度の方向、並びに大きさを検出する。
【０００９】
以下、図６および図７を参照して、このスイッチドキャパシタ回路の構成、並びに動作について簡単に説明する。
図６中、回路１００は、上記半導体力学量センサの等価回路を示し、また回路２００は、上記スイッチドキャパシタ回路を示している。
【００１０】
ここで、回路１００における端子Ｐ０は、上記センサの電極パッド４１０に相当し、同じく端子Ｐ１およびＰ２はそれぞれ同センサの電極パッド４１１および４１２に相当する。そして、上記端子Ｐ０（電極パッド４１０）を介して取り出される電位（電荷）がスイッチドキャパシタ回路２００に入力される。
【００１１】
また、スイッチドキャパシタ回路２００は、演算増幅器ＯＰと、該演算増幅器ＯＰの帰還路に並列接続されたコンデンサＣｆおよびスイッチＳＷとを備えて構成されている。なお、上記演算増幅器ＯＰには、その反転入力端子に上記端子Ｐ０から出力される信号が入力され、非反転入力端子には、上記回路１００（センサ）の端子Ｐ１およびＰ２間に印加される電圧Ｖｃｃの半分の電圧、すなわち「Ｖｃｃ／２」の電圧が与えられる。
【００１２】
次に、図７に表すタイミングチャートを併せ参照して、これら回路１００および２００の動作を説明する。
図７（ａ）および（ｂ）に示されるように、回路１００（センサ）の上記端子Ｐ１（電極パッド４１１）および端子Ｐ２（電極パッド４１２）間には、例えば５０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの周波数で且つ、電圧「０」Ｖと電圧Ｖｃｃとの間でお互いに逆の位相にて交番する交番信号（電圧）が定常的に印加されている。また、スイッチドキャパシタ回路２００の上記スイッチＳＷは、図７（ｃ）に示されるように、上記各交番信号（電圧）の交番周期に同期してＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）制御される。
【００１３】
これにより、例えば図７中のタイミングＴ１〜Ｔ２の期間においては、上記スイッチＳＷがオンとなっていることから、スイッチドキャパシタ回路２００の出力電圧Ｖｏは、図７（ｄ）に示されるように、「Ｖｃｃ／２」の電圧に維持される。
【００１４】
また、図７中、次のタイミングＴ２〜Ｔ３の期間においては、同スイッチがオフとなる。このため、上述した加速度の印加に応じた静電容量ＣＳ１およびＣＳ２の変化差分、正確には上記端子Ｐ１およびＰ２間に印加される電圧の反転に伴う変化差分が端子Ｐ０を介してスイッチドキャパシタ回路２００の上記コンデンサに充電される。この結果、同スイッチドキャパシタ回路２００からの出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖｃｃ／Ｃｆ
となり、図７（ｄ）に示されるように、上記静電容量ＣＳ１およびＣＳ２の容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）に対応した電位を示すようになる。
【００１５】
そして、このような動作が繰り返される中で、例えば上記出力電圧Ｖｏを適宜にサンプリングしていき、そのサンプリング値から例えば５００Ｈｚ以下の低周波成分のみを抽出することで、上記センサに印加された加速度に対応した値を得ることができるようになる。
【００１６】
ところで近年は、このような１軸方向への力学量（加速度）の印加を検出するセンサに加え、例えば特許文献２に見られるように、直交する２軸方向への力学量（加速度）の印加を検出可能としたセンサも実用化されている。図８に、この特許文献２（特にそのＦｉｇ４）に記載されている半導体力学量（加速度）センサの概略構造を模式的に示す。なお、図８において、図８（ａ）はこのセンサエレメントの平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００１７】
同図８（ａ）および（ｂ）に示されるように、このセンサも、大きくは、半導体基板（シリコン基板）１と、絶縁層２、そしてこの絶縁層２上に形成された半導体層（シリコン層）３を有して構成されている。
【００１８】
そして、半導体層３は、これも周知のフォトリソグラフィ技術等によって、基本的には図８（ａ）に示される態様でパターン形成されるとともに、絶縁層２は、同図８（ａ）に破線にて示される領域Ｚ３が選択的にエッチング除去されて、溝部を形成している。すなわちここでも、上記半導体層３は、この溝部に対応する領域Ｚ３内では上記基板１から浮いた状態となり、それ以外の領域では絶縁層２を介して同基板１に支持されるかたちとなる。
【００１９】
具体的には、上記領域Ｚ３内で、上記半導体層３によるマス（重り部）３４０、該マス３４０に一体形成された櫛歯状の可動電極ＭＥ２１〜ＭＥ２４、これら各可動電極に対向するように片持ち支持された固定電極ＦＥ２１〜ＦＥ２４、そして上記マス３４０を支持する梁Ｂ２１〜Ｂ２８が形成されている。また、上記領域Ｚ３外では、同じく半導体層３による梁固定部Ｓ２１〜Ｓ２４、並びにアンカー部３５１〜３５４がそれぞれ形成されている。
【００２０】
そして、上記梁Ｂ２１〜Ｂ２８の各々他端は、上記梁固定部Ｓ２１〜Ｓ２４によって支持されており、上記固定電極ＦＥ２１〜ＦＥ２４は、上記アンカー部３５１〜３５４によってそれぞれ支持されている。また、上記梁固定部Ｓ２２には、上記可動電極ＭＥ２１〜ＭＥ２４の電位を取り出すための例えばアルミニウム等の金属からなる電極パッド４２０が形成されている。他方、上記アンカー部３５１〜３５４には、それぞれ上記固定電極ＦＥ２１〜ＦＥ２４に給電を行うための同じくアルミニウム等の金属からなる電極パッド４２１〜４２４が形成されている。
【００２１】
ここで、上記マス３４０は、図８（ａ）に示されるように、梁Ｂ２１〜Ｂ２４により、図中Ｘ軸方向への変位が許容され、また梁Ｂ２５〜Ｂ２８により、図中Ｙ軸方向への変位が許容される構造となっている。
【００２２】
これにより、マス３４０に例えばＸ軸方向への加速度が印加されたときには、該マス３４０のＸ軸方向への変位に伴って、これに一体形成されている可動電極ＭＥ２１およびＭＥ２２も同様にＸ軸方向に変位することになる。そしてこの場合、一方では可動電極ＭＥ２１と固定電極ＦＥ２１の間の距離が増加または減少し、他方では可動電極ＭＥ２２と固定電極ＦＥ２２の間の距離が減少または増加する。他方、上記マス３４０に例えばＹ軸方向への加速度が印加されたときには、該マス３４０のＹ軸方向への変位に伴って、これに一体形成されている可動電極ＭＥ２３およびＭＥ２４も同様にＹ軸方向に変位することになる。そしてこの場合も、一方では可動電極ＭＥ２３と固定電極ＦＥ２３の間の距離が増加または減少し、他方では可動電極ＭＥ２４と固定電極ＦＥ２４の間の距離が減少または増加する。
【００２３】
そして、このセンサでも、このような各電極間の距離の変化をそれぞれ静電容量の変化として検出し、これらＸ軸方向およびＹ軸方向の静電容量の変化を、それぞれ先の図６に例示したスイッチドキャパシタ回路を通じて電圧値に変換することとなる。
【００２４】
【特許文献１】
特開平１１−３２６３６５号公報
【特許文献２】
米国特許第５，８８０，３６９号（Ｆｉｇ．４）
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図８に例示したような半導体力学量センサによれば、直交する２軸方向への力学量（加速度）の印加を検出することは確かに可能である。しかし、この従来のセンサは、これら２軸方向への変位を許容するための２種の梁によって１つのマスが共通に支持されるといった自由度の低い構造をとっている。
【００２６】
具体的には、先の図８（ａ）に示されるように、マス３４０の例えばＸ軸方向への変位を考えた場合、梁Ｂ２１〜Ｂ２４は、該マス３４０のＸ軸方向への変位については確かにこれを許容するかたちで配設されている。ところが、他の梁Ｂ２５〜Ｂ２８は、マス３４０のこうしたＸ軸方向への変位をむしろ規制するかたちで配設されている。また、逆に、マス３４０の例えばＹ軸方向への変位を考えた場合には、梁Ｂ２５〜Ｂ２８が、マス３４０のこうしたＹ軸方向への変位を許容し、梁Ｂ２１〜Ｂ２４はむしろ、マス３４０のこうした変位を規制するかたちとなっている。
【００２７】
このように、上記従来の半導体力学量センサの場合、直交する２軸方向への力学量（加速度）の印加を検出することができるとはいえ、梁自体が、マスの互いに他軸側への変位に干渉する構造となっており、いわゆる他軸感度の低下が避けられないものとなっている。
【００２８】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、自由度の高い構造を有し、直交する２軸方向への力学量の印加についても、これをより高い精度にて検出することのできる半導体力学量センサを提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板に梁を介して支持されるとともに、力学量の印加に応じて変位するマスを有し、該マスに一体形成された可動電極と前記半導体基板に片持ち支持された固定電極との間の電気的特性の変化に応じて前記印加される力学量を検出する半導体力学量センサとして、前記マスを、直列に、複数のマスに分割するとともに、それら分割した各マスを、互いに近接および離間する方向への変位を許容する連結梁によって連結する構造とした。
【００３０】
半導体力学量センサとして、このようなマス構造を採用することにより、上記分割されたマスのうち、少なくとも上記連結梁によって両端が連結されるマスは、その連結方向への変位が干渉されることはなくなる。しかも、これら各マスの連結方向の選択は任意であり、またこれら連結されたマスをその連結方向と直交する方向に変位可能な構造とすることも容易である。このため、同構造を有する半導体力学量センサによれば、その設計の自由度が大きく高められるとともに、直交する２軸方向への力学量の印加についても、これをより高い精度にて検出することが可能となる。なお、上記マスの分割態様は基本的に任意であるが、当該センサとしての性格上、個々のマスは、上記連結梁に比べてより高い剛性が維持される態様で分割される必要がある。
【００３１】
そして具体的には、請求項２に記載のように、
（イ）マスは、第１および第２および第３の３つのマスに直列に分割される。
（ロ）それらマスの端部に位置する第１および第３のマスは、マスの連結方向と直交する方向への変位が許容されるかたちでそれぞれ半導体基板に梁を介して支持されるとともに、該変位が許容される方向への力学量の印加を検出する態様で一体形成された可動電極をそれぞれ有する。
（ハ）これら第１および第３のマスに各々連結梁を介して連結された中央に位置する第２のマスは、その変位が許容される方向であるマスの連結方向への力学量の印加を検出する態様で一体形成された可動電極を有する。
といった構造とすることで、上記直交する２軸方向への力学量の印加について、互いに他軸感度を低下させることなくこれを高い精度にて検出することができるようになる。
【００３２】
一方、こうした半導体力学量センサとしても、請求項３に記載のように、前記半導体基板として、シリコン基板等の適宜の基板上に絶縁膜およびシリコン膜が形成されたＳＯＩ基板を用い、前記各マスおよびそれら各マスに一体形成される可動電極および前記固定電極を前記シリコン膜によって形成する構造とすることで、安定した高い検出精度を有する力学量センサを、周知の半導体製造プロセスを用いて容易に製造することができる。
【００３３】
またこの場合には、請求項４に記載のように、前記半導体基板上の前記各マスおよび可動電極および固定電極の周囲に、これらを囲繞するかたちで、前記シリコン膜を残存させる構造とすることで、当該センサの取り付け作業等に際して、その取り扱いを容易なものとすることができるようになる。
【００３４】
さらにこの場合、請求項５に記載のように、前記各マスおよび可動電極および固定電極の周囲を囲繞するかたちで残存させたシリコン膜に、その電位を一定の電位に固定するための電極を設ける構造とすれば、これら各マスおよび可動電極および固定電極を該シリコン膜によって電気的にシールドすることも可能となる。すなわち、マスの変位に伴う可動電極と固定電極との間の電気的特性の変化をノイズ等の外乱から保護することができるようにもなる。
【００３５】
他方、請求項６に記載のように、半導体基板上の少なくとも各マスおよび可動電極および固定電極の形成部に、その上方を覆うキャップを設ける構造も有効である。このようなキャップを設けることにより、微細な構造を有するそれら各マスおよび可動電極および固定電極を機械的に保護することが可能となる。
【００３６】
またこの場合には、請求項７に記載のように、上記キャップを、半導体基板上に絶縁性接着剤にてその当接辺が接着固定される導体もしくは半導体材料にて形成するものとすれば、上記各マスおよび可動電極および固定電極をこのキャップによって電気的にシールドすることも可能となる。すなわち、この場合も、マスの変位に伴う可動電極と固定電極との間の電気的特性の変化をノイズ等の外乱から保護することができるようになる。
【００３７】
さらに、請求項８に記載のように、上記キャップにも、その電位を一定の電位に固定するための電極を設ける構造とすれば、上記シールド効果のさらなる向上を図ることができるようになる。
【００３８】
なおこれらの構造は、上記請求項５に記載の構造と併用することによって、上記シールド効果もさらに高められるようになる。
そして、特に請求項９に記載のように、同半導体力学量センサを加速度センサとして用いれば、上記直交する２軸方向への加速度の印加について、互いに他軸感度を低下させることなく、これをより高い精度にて検出することができるようになる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１に、本発明にかかる半導体力学量センサについてその第１の実施の形態を示す。
【００４０】
この実施の形態にかかる半導体力学量センサも、先の図８に例示したセンサと同様、直交する２軸方向への力学量（加速度）を検出するものである。ただし、この実施の形態のセンサでは、図１（ａ）〜（ｃ）に示すマス構造、並びに梁構造を採用することによって、前述したような他軸感度の低下を抑えるようにしている。
【００４１】
以下、同図１を参照して、この実施の形態にかかるセンサのこうしたマス構造、並びに梁構造について詳述する。なお、図１において、図１（ａ）はこのセンサエレメントの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【００４２】
同図１（ａ）〜（ｃ）に示されるように、このセンサも、大きくは、半導体基板（シリコン基板）１と、絶縁層２、そしてこの絶縁層２上に形成された半導体層（シリコン層）３を有して構成されている。すなわち、先の従来のセンサにおいても同様であるが、通常のＳＯＩ基板を利用しての加工が可能な構造となっている。
【００４３】
そして、この実施の形態において、上記半導体層３は、周知のフォトリソグラフィ技術等によって、基本的には図１（ａ）に示される態様でパターン形成されるとともに、絶縁層２は、同図１（ａ）に破線にて示される領域Ｚ１が選択的にエッチング除去されて、溝部を形成している。これにより、上記半導体層３は、この溝部に対応する領域Ｚ１内では上記基板１から浮いた状態となり、それ以外の領域では絶縁層２を介して同基板１に支持されるかたちとなる。
【００４４】
具体的には、上記領域Ｚ１内で、上記半導体層３によるマス（重り部）３０１〜３０３、各マスに一体形成された櫛歯状の可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４、これら各可動電極に対向するように片持ち支持された固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４、そして梁Ｂ１〜Ｂ４、並びに連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４が形成されている。すなわち、この実施の形態にあって、上記各マス３０１〜３０３は、直列に分割されて、上記連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４により連結されている。またこのうち、マス３０１（第１のマス）および３０３（第３のマス）は上記梁Ｂ１〜Ｂ４によって支持されている。なお、これらマス３０１および３０３は、少なくとも上記連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４よりも高い剛性が維持される態様をもって分割形成されている。他方、上記領域Ｚ１外では、同じく半導体層３による梁固定部Ｓ１〜Ｓ４、並びにアンカー部３１１〜３１４がそれぞれ形成されている。
【００４５】
そして、上記梁Ｂ１〜Ｂ４の各々他端は、上記梁固定部Ｓ１〜Ｓ４によって支持されており、上記固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４は、上記アンカー部３１１〜３１４によってそれぞれ支持されている。また、上記梁固定部Ｓ２には、上記可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４の電位を取り出すための例えばアルミニウム等の金属からなる電極パッド４００が形成されている。他方、上記アンカー部３１１〜３１４には、それぞれ上記固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４に給電を行うための同じくアルミニウム等の金属からなる電極パッド４０１〜４０４が形成されている。
【００４６】
ここで、上記梁Ｂ１〜Ｂ４は、図１（ａ）から明らかなように、上記連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって連結されている各マス３０１〜３０３の図中Ｘ軸方向への変位は許容するものの、これに接続されている両端のマス３０１および３０３の図中Ｙ軸方向への変位についてはこれを規制する構造となっている。また一方、上記連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４は、これも図１（ａ）から明らかなように、中央のマス３０２（第２のマス）について、その図中Ｘ軸方向への変位についてはこれを規制し、その図中Ｙ軸方向への変位のみを許容する構造となっている。ただし、これら連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４は半導体基板１に支持されていないため、このセンサに図中Ｘ軸方向への加速度が印加されたときには、同連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４および各マス３０１〜３０３は一体となって図中Ｘ軸方向に変位するようになる。したがって結局のところ、これら連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４が各マス３０１〜３０３のＸ軸方向への変位に干渉することはない。しかも、これらマス３０１〜３０３のうち、特に図中Ｙ軸方向への変位が許容されている中央のマス３０２は、半導体基板１に支持されている上記梁Ｂ１〜Ｂ４とは力学的に独立するかたちで配設されているため、これら梁Ｂ１〜Ｂ４が該中央のマス３０２のＹ軸方向への変位に干渉することはない。
【００４７】
このように、この実施の形態にかかる半導体力学量センサでは、直交する２軸方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）のいずれの方向に加速度が印加される場合であれ、上記梁Ｂ１〜Ｂ４や連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４がマス３０１〜３０３の他軸側への変位に干渉することはなく、高い他軸感度が維持されるようになる。
【００４８】
そして、この実施の形態のセンサにあっては、このようなマス構造、並びに梁構造を通じて、以下の態様で、図中Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に印加される加速度の検出が実行される。
【００４９】
すなわち、上記各マス３０１〜３０３に図中Ｘ軸方向への加速度が印加されたときには、連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４を含むそれらマス全体のＸ軸方向への変位に伴って、マス３０１および３０３に一体形成されている可動電極ＭＥ１およびＭＥ２も同様にＸ軸方向に変位する。そしてこの場合、一方では可動電極ＭＥ１と固定電極ＦＥ１の間の距離が増加または減少し、他方では可動電極ＭＥ２と固定電極ＦＥ２の間の距離が減少または増加する。
【００５０】
また、上記各マス３０１〜３０３に図中Ｙ軸方向への加速度が印加されたときには、それらマスのうち、中央のマス３０２のＹ軸方向への変位に伴って、これに一体形成されている可動電極ＭＥ３およびＭＥ４も同様にＹ軸方向に変位する。そしてこの場合、一方では可動電極ＭＥ３と固定電極ＦＥ３の間の距離が増加または減少し、他方では可動電極ＭＥ４と固定電極ＦＥ４の間の距離が減少または増加する。
【００５１】
この実施の形態のセンサでは、図中Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向への加速度の印加に伴うこうした電極間の距離の変化がそれぞれ静電容量の変化として検出される。そして、これら静電容量の変化が、それぞれ先の図６に例示したスイッチドキャパシタ回路等を通じて電圧値に変換されるようになる。
【００５２】
図２は、上述したこの実施の形態にかかる半導体力学量センサと先の図８に例示した従来の半導体力学量センサとについて、これらをそれぞれ等価的にモデル化するとともに、そのモーダル解析を行った結果を示したものである。
【００５３】
なお、この図２の図表において、「共振モード」の欄の「Ｚ方向」とは、Ｚ軸方向への共振モードであり、「マス回転」とは、このＺ軸を回転軸とした各マスの回転に関する共振モードであり、そして、「梁のうねり」とは、Ｘ軸あるいはＹ軸を回転軸とした梁の振動（うねり）に関する共振モードである。また、「共振モード」の欄のこれら各項目に対応する数値は、検出方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）の共振周波数を「１」と基準化したときの相対値であり、またそれぞれ括弧内の数値は、それら各項目に対応する実際の共振周波数である。これら相対値あるいは共振周波数が上記検出方向の値「１」あるいは共振周波数に比べて高いほど、それら共振モードが検出方向の変位に干渉し難いことになる。
【００５４】
さて、この図２のモーダル解析結果によれば、上記各共振モードのいずれにおいても、この実施の形態にかかるセンサの方が、従来のセンサよりも上記相対値あるいは共振周波数が高くなっている。特に、「Ｚ方向」および「梁のうねり」に関するそれらの値は、従来のセンサに比べて大幅に高い値を示している。すなわち、上記マス構造、並びに梁構造を有するこの実施の形態にかかるセンサによれば、上述したＸ軸方向とＹ軸方向との間の他軸感度のみならず、Ｚ軸方向についても高い他軸感度が維持されることがわかる。また、上記検出方向に対して「梁のうねり」も生じ難いことから、それら検出方向に対するより安定した高い精度での加速度検出が可能でもある。
【００５５】
以上説明したように、この実施の形態にかかる半導体力学量センサによれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。
（１）重り部となるマスを、マス３０１〜３０３に直列に分割するとともに、それら分割した各マス３０１〜３０３をそれぞれ連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって連結する構造とした。そしてこれらマスのうち、端部に位置するマス３０１および３０３についてはこれを、マス３０１〜３０３の連結方向と直交する方向への変位が許容されるかたちで半導体基板１にそれぞれ梁Ｂ１〜Ｂ４を介して支持されるようにした。また、これらマス３０１〜３０３のうち、中央に位置するマス３０２は、上記連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって、それらマスの連結方向への変位のみが許容される。このようなマス構造、並びに梁構造を採用したことで、直交する２軸方向への力学量（加速度）の印加についても、互いに他軸感度を低下させることなく、これをより高い精度にて検出することができるようになる。
【００５６】
（２）また、その製造には、半導体基板１、絶縁層２、シリコン層３が形成された通常のＳＯＩ基板を利用することができ、上記マス構造や梁構造についてもこれを、周知の半導体プロセスを用いて容易に実現することができるようになる。
【００５７】
（３）図２のモーダル解析結果からも明らかなように、検出方向であるＸ軸およびＹ軸方向のそれらの間の他軸感度のみならず、Ｚ軸方向等についても高い他軸感度を維持することができる。また、検出方向に対して「梁のうねり」も生じ難いことから、それら検出方向に対するより安定した高い精度での加速度検出が可能でもある。
【００５８】
（第２の実施の形態）
図３に、本発明にかかる半導体力学量センサについてその第２の実施の形態を示す。
【００５９】
この実施の形態にかかる半導体力学量センサも、先の第１の実施の形態のセンサと同様、直交する２軸方向への力学量（加速度）を検出するものであり、上記マス構造や梁構造を採用することによって、他軸感度の低下を抑えるようにしている。しかも、この実施の形態のセンサでは、図３に示すように、各マスおよび可動電極および固定電極、そしてアンカー部の周囲を囲繞するかたちで半導体層３を残存させ、該半導体層３にその電位を一定の電位に固定するための電極を設けることにより、基板強度および電気的特性の向上を図るようにしている。
【００６０】
以下、同図３を参照して、この実施の形態にかかるセンサの構造について詳述する。なお、図３において、図３（ａ）はこのセンサエレメントの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。また、この図３において、先の図１に示した要素と同一の要素には各々同一の符号を付して示しており、それら要素についての重複する説明は割愛する。
【００６１】
この実施の形態にかかる半導体力学量センサも、その基本構造は、先の第１の実施の形態と略同様である。
すなわち、図３（ａ）〜（ｃ）に示されるように、このセンサも、大きくは、半導体基板（シリコン基板）１と、絶縁層２、そしてこの絶縁層２上に形成された半導体層（シリコン層）３を有して構成されている。そして、半導体層３は、周知のフォトリソグラフィ技術等によって、基本的には図３（ａ）に示される態様でパターン形成されるとともに、絶縁層２は、同図３（ａ）に破線にて示される領域Ｚ１が選択的にエッチング除去されて、溝部を形成している。すなわち、上記半導体層３は、この溝部に対応する領域Ｚ１内では上記基板１から浮いた状態となり、それ以外の領域では絶縁層２を介して同基板１に支持されるかたちとなる。この領域Ｚ１の内外でのマス構造や梁構造、さらには各電極構造等も、図１に例示した先の第１の実施の形態のセンサと同様である。
【００６２】
ただし、この実施の形態においては、図３（ａ）〜（ｃ）に示されるように、各マス３０１〜３０３および可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４および固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４、さらにはアンカー部３１１〜３１４の周囲を囲繞するかたちで半導体層３を残存させている。そして、この残存させた該半導体層３には、その電位を一定の電位に固定するための例えばアルミニウム等からなる電極パッド４０５を形成している。
【００６３】
半導体力学量センサとしてこのような構造を採用することで、前記各マス３０１〜３０３および可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４および固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４、そしてアンカー部３１１〜３１４を、上記残存させた半導体層３によって電気的にシールドすることが可能となる。すなわち、マス３０１〜３０３の変位に伴う可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４と固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４との間の静電容量の変化をノイズ等の外乱から保護することができるようになる。また、上記残存させた半導体層３によって、このセンサ自体の剛性も増し、取り付け作業等に際して、その取り扱いをより容易なものとすることができるようにもなる。
【００６４】
以上に説明したように、この第２の実施の形態にかかる半導体力学量センサによっても、先の第１の実施の形態による上記（１）〜（３）の効果と同様の効果を得ることができるとともに、これに加えて、新たに次のような効果を得ることもできる。
【００６５】
（４）残存させた半導体層３によってセンサ自体の剛性が高められ、センサの取り付け作業等に際しても、その取り扱いをより容易なものとすることができるようになる。
【００６６】
（５）上記残存させた半導体層３を通じて、各マスおよび可動電極および固定電極、そしてアンカー部を電気的にシールドすることが可能となる。すなわち、マスの変位に伴う可動電極と固定電極との間の静電気量の変化をノイズ等から保護することができるようになり、印加される力学量（加速度）についての安定した高い精度での検出が可能となる。
【００６７】
（第３の実施の形態）
図４に、本発明にかかる半導体力学量センサについてその第３の実施の形態を示す。
【００６８】
この実施の形態にかかる半導体力学量センサも、先の第１あるいは第２の実施の形態のセンサと同様、直交する２軸方向への力学量（加速度）を検出するものであり、上記マス構造や梁構造を採用することによって、他軸感度の低下を抑えるようにしている。また、この実施の形態のセンサにおいても、先の第２の実施の形態のセンサと同様、各マスおよび可動電極および固定電極、そしてアンカー部の周囲を囲繞するかたちで半導体層３を残存させ、該半導体層３にその電位を一定の電位に固定するための電極を設けている。これにより、基板強度および電気的特性の向上が図られることは前述の通りである。さらにこの実施の形態のセンサでは、上記各マスや可動電極、固定電極、そしてアンカー部の形成部に、その上方を覆うキャップを設けることによって、微細な構造を有するそれら各マスや可動電極、固定電極等を機械的に保護するようにもしている。
【００６９】
以下、図４を参照して、この実施の形態にかかるセンサの構造について詳述する。なお、図４において、図４（ａ）はこのセンサエレメントの平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。またこの図４においても、先の図１あるいは図３に示した要素と同一もしくは対応する要素には各々同一の符号を付して示しており、それら要素についての重複する詳細は割愛する。
【００７０】
この実施の形態にかかる半導体力学量センサも、上記キャップの内部の基本構造は先の第２の実施の形態と略同様である。
すなわち、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、このセンサも、大きくは、半導体基板（シリコン基板）１と、絶縁層２、そしてこの絶縁層２上に形成された半導体層（シリコン層）３を有して構成されている。そして、半導体層３は、周知のフォトリソグラフィ技術等によって、基本的には、図４（ａ）に示される態様でパターン形成されるとともに、絶縁層２は、同図４（ａ）に破線にて示される領域Ｚ１が選択的にエッチング除去されて、溝部を形成している。すなわち、上記半導体層３は、この溝部に対応する領域Ｚ１内では上記基板１から浮いた状態となり、それ以外の領域では絶縁層２を残して同基板１に支持されるかたちとなる。この領域Ｚ１の内外でのマス構造や梁構造、さらには各電極構造等も、図１や図３に例示した第１あるいは第２の実施の形態のセンサと同様である。ただし、この実施の形態では、以下に説明するキャップ５を設ける都合上、前記電極パッド４００〜４０４は、図４（ａ）に示される態様で、半導体層３を通じて一方向に引き出されている。また、残存された半導体層３の電位固定用の電極パッド４０５も同様に、キャップ５の外側に配設される構造となっている。
【００７１】
次に、この実施の形態において、各マス３０１〜３０３および可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４および固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４、そしてアンカー部３１１〜３１４が形成された部分の上方を覆うように配設されているキャップ５について詳述する。
【００７２】
この実施の形態において、キャップ５は、例えば上記半導体層３と同様、シリコン等の半導体材料にて形成されている。そして、その半導体基板１（正確にはその上の半導体層３）との当接辺は、絶縁性の接着剤等にて接着固定されている。また、このキャップ５にも、その電位を一定の電位に固定するための電極パッド５００が形成されている。
【００７３】
半導体力学量センサとしてこのような構造を採用することで、前記各マス３０１〜３０３および可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４および固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４、そしてアンカー部３１１〜３１４を、このキャップ５によっても電気的にシールドすることが可能となる。すなわち、先の残存させた半導体層３によるシールド効果とも併せ、各マス３０１〜３０３の変位に伴う可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４と固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４との間の静電容量の変化をノイズ等の外乱からより的確に保護することができるようになる。また、少なくとも各マス３０１〜３０３および可動電極ＭＥ１〜ＭＥ４および固定電極ＦＥ１〜ＦＥ４が形成された部分の上方がこのキャップ５により覆われることで、それら微細な構造を有する各部が機械的に保護されることともなる。
【００７４】
以上説明したように、この第３の実施の形態にかかる半導体力学量センサによれば、先の第１あるいは第２の実施の形態による前記（１）〜（５）の効果と同様の効果を得ることができるとともに、新たに次のような効果を得ることもできる。
【００７５】
（６）各マスや可動電極、固定電極、アンカー部等を覆うキャップ５をシリコン等の半導体材料にて形成するとともに、このキャップ５についても、電極パッド５００を通じてその電位を一定の電位に固定することとした。これにより、前述した電気的なシールド効果のさらなる向上を図ることができるようになる。
【００７６】
（７）少なくとも各マスおよび可動電極および固定電極が形成された部分の上方をキャップ５で覆う構造としたことで、それら微細な構造を有する各部を機械的に保護することができるようにもなる。
（他の実施の形態）
・上記第２の実施の形態では、各マスおよび可動電極および固定電極、そしてアンカー部の周囲を囲繞するかたちで残存させた半導体層３に電極パッド４０５を形成しているが、前記残存させた半導体層３に電極パッド４０５を設けない構造とすることも可能である。そしてこのような構造としても、残存させた半導体層３によってセンサ自体の剛性が高められ、センサの取り付け作業等に際しても、その取り扱いをより容易なものとすることができるようになる。また、同電極パッド４０５を設ける場合ほどではないにしろ、電気的特性の向上を図ることもできる。
【００７７】
・上記第３の実施の形態では、キャップ５をシリコン等の半導体材料にて形成することとしたが、このキャップ５についてはこれを、例えば銅やアルミニウム等の導体材料で形成することもできる。そしてこのような導体材料にて形成されたキャップ５によっても、上記第３の実施の形態と同様に、各マスや可動電極、固定電極、アンカー部等を機械的に保護するとともに、ノイズ等の外乱から保護することができる。
【００７８】
・上記第３の実施の形態では、キャップ５にその電位を一定の電位に固定するための電極パッド５００を設けることとした。しかし、この電極パッド５００を形成せずに、各マスや可動電極、固定電極、アンカー部等の上方を前記キャップ５で覆うことのみによっても、同電極パッド５００を設ける場合ほどではないにしろ、それら覆われた各部を電気的にシールドして、ノイズ等の外乱から保護することはできる。
【００７９】
・また、上記キャップ５についてはこれを、例えば樹脂等の絶縁材料で形成することもできる。そして、この絶縁材料にて形成されたキャップ５によっても、各マスや可動電極、固定電極等を機械的に保護することはできる。しかも、この場合においては、半導体基板１（正確にはその上の半導体層３）との接着方法は任意である。
【００８０】
・上記第３の実施の形態では、半導体基板１の略全体を覆うようなかたちでキャップ５を設け、電極パッド４００〜４０４についてはこれを、半導体層３を通じて一方向に引き出す構造とした。しかし、このキャップ５は、各マスや可動電極、固定電極、アンカー部等の上方のみを選択的に覆う態様で設けることもできる。このような構造によれば、前記電極パッド４００〜４０４の引き出しが容易になるとともに、半導体層３による配線構造についても、これをより簡素にすることができるようになる。
【００８１】
・上記第３の実施の形態では、第２の実施の形態のセンサ構造に対して前記キャップ５を設ける場合について例示したが、このキャップ５は、先の第１の実施の形態のセンサ構造についても同様に適用することができる。
【００８２】
・上記各実施の形態においては、各マス３０１〜３０３が連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって連結されている方向をＹ軸方向とし、これと直交する方向をＸ軸方向としているが、それら軸方向の設定はＺ軸方向も含めて任意である。
【００８３】
・上記各実施の形態においては、検出回路として先の図６に例示するスイッチドキャパシタ回路を用いているが、基本的に検出方法および検出回路は任意である。また、静電容量の変化以外の電気的特性、例えば電界や抵抗値等の変化を利用して加速度を検出するようにしてもよい。
【００８４】
・上記各実施の形態においては、重り部となるマスを、３つのマス３０１〜３０３に直列に分割するとともに、それら分割したマスをそれぞれ連結梁ＣＢ１〜ＣＢ４によって連結する構造とした。しかし、前記マスは、連結梁に比べてより高い剛性が維持される態様で、複数のマスに直列に分割されるとともに、互いに近接および離間する方向へ変位を許容する上記連結梁によって連結されていれば、前述と同様の効果が得られる。すなわち、連結梁の構造およびマスの分割態様（例えばマスの分割数）等は上記条件を満たす範囲で任意であり、その設計の自由度も高く維持される。
【００８５】
・上記各実施の形態においては、ＳＯＩ基板を利用する場合について言及したが、上記マス構造や梁構造は、必ずしもこうしたＳＯＩ基板を用いずとも実現可能である。また、基板１に関しても、絶縁基板等も含めて、半導体基板に限らない任意の基板を採用することができる。
【００８６】
・上記各実施の形態においては、加速度検出用の２軸半導体力学量センサについて言及したが、他の力学量、例えば角速度等を検出する力学量センサとしても本発明は同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる半導体力学量センサの第１の実施の形態について、（ａ）はそのセンサ構造の概要を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図２】上記第１の実施の形態の半導体力学量センサと従来の半導体力学量センサとのモーダル解析結果を対比して示す図表。
【図３】この発明にかかる半導体力学量センサの第２の実施の形態について、（ａ）はそのセンサ構造の概要を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図４】この発明にかかる半導体力学量センサの第３の実施の形態について、（ａ）はそのセンサ構造の概要を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図５】従来の１軸タイプの半導体力学量センサの一例について、（ａ）はそのセンサ構造の概要を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図６】スイッチドキャパシタ回路の構成例を示す回路図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は上記スイッチドキャパシタ回路の動作例を示すタイミングチャート。
【図８】従来の２軸タイプの半導体力学量センサの一例について、（ａ）はそのセンサ構造の概要を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１…半導体基板（シリコン基板）、２…絶縁層、３…半導体層（シリコン層）、５…キャップ、３０１〜３０３、３２０、３４０…マス、３１１〜３１４、３２１、３２２、３３１、３３２、３５１〜３５４…アンカー部、４００〜４０５、４１０〜４１２、４２０〜４２４、５００…電極パッド、Ｂ１〜Ｂ４、Ｂ１１〜Ｂ１４、Ｂ２１〜Ｂ２８…梁、Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ２１〜Ｓ２４…梁固定部、ＣＢ１〜ＣＢ４…連結梁、ＦＥ１〜ＦＥ４、ＦＥ１１、ＦＥ１２、ＦＥ２１〜ＦＥ２４…固定電極、ＭＥ１〜ＭＥ４、ＭＥ１１、ＭＥ１２、ＭＥ２１〜ＭＥ２４…可動電極。

Claims (9)

1. 半導体基板に梁を介して支持されるとともに、力学量の印加に応じて変位するマスを有し、該マスに一体形成された可動電極と前記半導体基板に片持ち支持された固定電極との間の電気的特性の変化に応じて前記印加される力学量を検出する半導体力学量センサにおいて、
   前記マスは、直列に、複数のマスに分割されてなるとともに、それら分割された各マスは、互いに近接および離間する方向への変位を許容する連結梁によって連結されてなる
   ことを特徴とする半導体力学量センサ。
2. 前記マスは、第１および第２および第３の３つのマスに直列に分割されて、直交する２軸方向への力学量の印加を検出するものであり、それらマスの端部に位置する第１および第３のマスは、前記マスの連結方向と直交する方向への変位が許容されるかたちでそれぞれ前記半導体基板に梁を介して支持されるとともに、該変位が許容される方向への力学量の印加を検出する態様で一体形成された可動電極をそれぞれ有してなり、これら第１および第３のマスに各々前記連結梁を介して連結された中央に位置する第２のマスは、その変位が許容される方向である前記マスの連結方向への力学量の印加を検出する態様で一体形成された可動電極を有してなる
   請求項１に記載の半導体力学量センサ。
3. 前記半導体基板は、適宜の基板上に絶縁膜およびシリコン膜が形成されたＳＯＩ基板からなり、前記各マスおよびそれら各マスに一体形成された可動電極および前記固定電極は、前記シリコン膜によって形成されてなる
   請求項１または２に記載の半導体力学量センサ。
4. 前記半導体基板上の前記各マスおよび可動電極および固定電極の周囲には、これらを囲繞するかたちで前記シリコン膜が残存されてなる
   請求項３に記載の半導体力学量センサ。
5. 前記各マスおよび可動電極および固定電極の周囲を囲繞するかたちで残存されたシリコン膜には、その電位を一定の電位に固定するための電極が設けられてなる
   請求項４に記載の半導体力学量センサ。
6. 前記半導体基板上の少なくとも前記各マスおよび可動電極および固定電極の形成部には、その上方を覆うキャップが設けられてなる
   請求項１〜５のいずれかに記載の半導体力学量センサ。
7. 前記キャップが前記半導体基板上に絶縁性の接着剤にてその当接辺が接着固定される導体もしくは半導体材料からなる
   請求項６に記載の半導体力学量センサ。
8. 前記キャップには、その電位を一定の電位に固定するための電極が設けられてなる
   請求項７に記載の半導体力学量センサ。
9. 当該半導体力学量センサが、前記印加される力学量として加速度を検出する加速度センサである
   請求項１〜８のいずれかに記載の半導体力学量センサ。

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